Левитация (от латинского слова levitas = легкость) — это парение в воздухе без каких-либо механических средств.
Магнитная левитация основана на притяжении или отталкивании объектов электромагнитом. Когда по проводнику протекает электрический ток, вокруг него создается магнитное поле. Это поле тем сильнее, чем больше ток протекает через проводник.
В настоящее время термин «магнитная левитация» стал использоваться в самых разных контекстах: от левитирующих игрушек и подвешивания небольшого стационарного объекта лабораторного масштаба, чтобы он был изолирован от вибраций его окружения (изолирующая платформа), до крупномасштабных мобильных механизмов, таких как транспортные средства на магнитной подвеске, способные перевозить людей и материалы до скоростей в несколько сотен километров в час.
Игрушка - левитирующий шар
В зависимости от характера применения может потребоваться некоторая степень физического контакта. Однако если физический контакт необходимо полностью исключить, как в случае с очень скоростными автомобилями, то, помимо подвески, функции поперечного наведения, тяги, торможения, передачи энергии и управления системой должны обеспечиваться одними бесконтактными средствами.
Магнитная левитация используется при бесконтактной плавке, в магнитных подшипниках, в некоторых аэродинамических трубах, в поездах на магнитной подушке и для демонстрации некоторых товаров.
Поезд на магнитной подвеске
Механизмы магнитной левитации
Существует несколько механизмов магнитной левитации, которые за последние несколько десятилетий привлекли большое внимание исследователей и широкой общественности из-за их потенциального применения в высокоскоростном общественном транспорте и высокоскоростных подшипниках.
Двумя хорошо изученными формами магнитной левитации являются электромагнитная левитация и левитация на основе сверхпроводника. Одна форма левитации нуждается в активной подаче энергии для поддержания левитации, а другая требует криогенных температур для ее достижения.
Простейший бесконтактный магнитный подвес
Малоизвестная форма магнитной левитации, называемая диамагнитной левитацией, является единственной формой пассивной левитации, которая возможна при комнатной температуре.
Диамагнитная левитация возможна из-за слабого отталкивания диамагнетиков. Эти материалы в изобилии встречаются в природе.
Еще менее известная альтернативная форма диамагнитной левитации, называемая диамагнитно стабилизированной магнитной левитацией, используется в сборе энергии на основе низкочастотной вибрации для потенциального питания беспроводных датчиков для целей мониторинга состояния механических конструкций.
Магнит над сверхпроводящей пластиной
Примеры использования магнитной левитации
1. Бесконтактная плавка металла
Техника бесконтактной плавки получила развитие после 1950 г. При частотах порядка десятков кГц и мощностях в несколько кВт можно поднять в воздух меньшее количество металла, а при нагреве вихревыми токами добиться плавления при левитации без опасности загрязнения расплавленного металла плавильным тиглем.
В простейшей схеме индукционная катушка имеет форму конуса и выполнена из металлической трубки, по которой протекает охлаждающая жидкость. Можно также использовать защитную атмосферу.
Также с использованием технологии магнитной левитации была разработана новая система испарения для нанесения алюминия на полосовую сталь.
Поскольку расплавленный алюминий вызывает коррозию, идея заключалась в том, чтобы подвесить расплавленный алюминий с помощью левитации, что позволит устранить эту проблему и уменьшит затраты на замену тиглей или лотков с резистивным нагревом.
Лабораторная печь на магнитной подушке для отливок высокой чистоты и воспроизводимости
2. Бесконтактное перемещение изделий
Мелкосерийное производство и часто меняющийся характер продукции предъявляют повышенные требования к логистике. Неудобные конвейерные ленты можно заменить электромагнитным полем. Магнитная левитация позволяет перемещать и позиционировать транспортные тележки.
Эта технология обеспечивает плотность размещения тележек в четыре раза выше, чем другие системы. Тележки также можно использовать в качестве управляемых и интерполируемых осей на отдельных рабочих станциях.
Например, траектория каретки может повторять контур ЧПУ, при этом обрабатывающий инструмент не меняет своего положения.
При этом система очень проста в настройке. Передовые алгоритмы гарантируют, что тележки следуют оптимальным траекториям, никогда не сталкиваются и минимизируют потребление энергии.
Левитирующие тележки
3. Бесконтактные подшипники
В магнитном подшипнике механическая нагрузка захватывается магнитной левитацией, поэтому движущиеся части не касаются друг друга. Это приводит к очень низкому трению, исключает механический износ материалов и позволяет подшипнику иметь очень высокие скорости вращения.
Пассивные магнитные подшипники основаны на постоянных магнитах, не требуют каких-либо усилий для стабилизации, но их конструкция сложна. Поэтому большинство магнитных подшипников относятся к активному типу, в них используются электромагниты, при работе они потребляют электрическую энергию и управляются датчиками положения, обеспечивающими их устойчивость.
Бесконтактные магнитные подшипники можно найти в некоторых промышленных приложениях, например, в электрических генераторах, на нефтеперерабатывающих заводах и при переработке природного газа, в центрифугах для обогащения урана или в турбомолекулярных вакуумных насосах.
Магнитные подшипники безмасляной турбины на заводе по производству этилена и пропилена
4. Датчики
Магнитная левитация была успешно применена к инерциальным датчикам для повышения их чувствительности к вибрациям окружающей среды.
В некоторых областях, таких как мониторинг строительных конструкций, требуются очень чувствительные датчики ускорения и наклона с высоким разрешением при низких ускорениях (обычно менее 1G) и умеренных частотах (обычно менее 20 Гц) или очень малых наклонах (обычно менее 1 °).
Приборы, доступные в настоящее время для таких измерений, представляют собой либо очень высокоточные приборы (следовательно, очень дорогие), используемые в сейсмологии и физике земного шара, либо более дешевые продукты, не обладающие необходимой чувствительностью и имеющие большие диапазоны измерений как по частоте, так и по интенсивности.
Такая ситуация значительно затрудняет актуализацию строительных норм в сейсмических зонах, а также изучение сложного явления взаимодействия грунт-конструкция в зонах риска.
Левитация сейсмической массы инерциального датчика освобождает его конструкцию от всех ограничений, создаваемых механической связью между инерционной массой и основанием устройства, которые делают современные измерительные приборы такими сложными и такими дорогими.
5. Левитирующий транспорт
Название Маглев (аббревиатура: магнитная левитация) было принято для поездов, левитирующих с помощью магнитных сил, хотя применение магнитной левитации не ограничивается поездами.
Для транспортных средств на магнитной подвеске широко использовались две основные конструкции системы подвески на магнитной подвеске. Первый использует силу притяжения между магнитами и ферромагнитными металлами и называется системой электромагнитной подвески. Другой использует силу отталкивания, создаваемую магнитами, движущимися относительно электрических проводников, и называется системой электродинамической подвески.
По рельсам движутся поезда на магнитной подушке, а магнитные системы обеспечивают как подъемную, так и движущую силу.
Это значительно снижает трение и данная система позволяет достигать высоких скоростей транспортировки. Движение поезда плавное и бесшумное по сравнению с классическим железнодорожным транспортом.
В маглевах на боковинах направляющего пути установлены «восьмифигурные» катушки левитации. Когда бортовые сверхпроводящие магниты проходят с высокой скоростью примерно в нескольких сантиметрах ниже центра этих катушек, внутри катушек индуцируется электрический ток, который затем временно действует как электромагниты. В результате существуют силы, которые толкают сверхпроводящий магнит вверх, и силы, одновременно тянущие их вверх, тем самым поднимая в воздух механизм маглев.
Маглев
Поезда на маглеве не нуждаются в двигателе и, следовательно, не производят выбросов. Они быстрее, тише и плавнее, чем традиционные транспортные средства.
Энергия, необходимая для их левитации, обычно не составляет большого процента от общего энергопотребления. На самом деле, большая часть энергии используется для преодоления сопротивления воздуха, что характерно для любого высокоскоростного поезда.
Поезда на маглеве отличаются высокой закупочной ценой, но относительно низкими эксплуатационными расходами. Сегодня этот вид транспорта регулярно курсирует только в трех странах: Японии, Китае и Южной Корее.
Смотрите также: Магнитная левитация на транспорте - маглев, системы Хальбаха и Inductrack